CN111391573A - 一种可变宽度的折纸式车轮 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变宽度的折纸式车轮，包括变径轮架、安装在变径轮架上的轮轴；变径轮架包括若干个折叠单元；若干个折叠单元首位依次相连围成环状；每个折叠单元均具有第一平面、第二平面、第三平面、第四平面、第五平面、第六平面；第一平面和第二平面之间设有第一谷折线并以第一谷折线为中心对称设置，第三平面和第四平面之间设有第一山折线并以第一山折线为中心对称设置，第一平面和第三平面之间设有第二谷折线，第二平面和第四平面之间设有第三谷折线，第五平面和第六平面以第一谷折线为中心对称设置，第五平面和第六平面分别与第一平面和第二平面连接。本可变宽度的折纸式车轮可以调节变径轮架的宽度，属于变宽轮和变径轮的技术领域。

Description

一种可变宽度的折纸式车轮

技术领域

本发明涉及变径轮的技术领域，尤其涉及一种可变宽度的折纸式车轮。

背景技术

在灾区凹凸不平路面、山洞狭窄缝隙或未知复杂路面环境中，对车轮的适应性和通过性提出了更高的要求。目前，国内开始研究刚性变径车轮，如一种自动适应路面的变径车轮，此类刚性变径车轮通过一定数量的零部件的装配而成，在平整的硬质路面或某些已知的凹凸不平的复杂路面可以运行自如。但刚性变径轮的内部结构复杂，装配过程繁琐，对零部件的制造精度要求高，并且变形方式单一，无法实现车轮宽度的变形。近年来国外也出现几类可变形折纸轮，但这几类车轮只能达到车轮轮径的变形，同样未能实现车轮宽度的变形，无法保证车轮对未知狭窄复杂路面的适应性和通过性，仍无法满足实用性。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种可变宽度的折纸式车轮，可变宽度的折纸式车轮结构简单、易于控制，本折纸式车轮可以调整车轮的宽度和直径，能适应各种路况。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可变宽度的折纸式车轮，包括变径轮架、安装在变径轮架上的轮轴；变径轮架包括若干个折叠单元；若干个折叠单元首位依次相连围成环状；

每个折叠单元均具有第一平面、第二平面、第三平面、第四平面、第五平面、第六平面；第一平面和第二平面相互连接，第一平面和第二平面之间设有第一谷折线并以第一谷折线为中心对称设置，第三平面和第四平面相互连接，第三平面和第四平面之间设有第一山折线并以第一山折线为中心对称设置，第一山折线与第一谷折线连接形成折叠线，第一平面和第二平面分别与第三平面和第四平面连接，第一平面和第三平面之间设有第二谷折线，第二平面和第四平面之间设有第三谷折线，第五平面和第六平面以折叠线为中心对称设置，第五平面和第六平面分别与第一平面和第二平面连接，第一平面和第五平面之间设有第二山折线，第二平面和第六平面之间设有第三山折线；

所有折叠单元的第五平面共同形成变径轮架的第一端面，所有折叠单元的第六平面共同形成变径轮架的第二端面。变径轮架以折叠线为中心折叠，变径轮架能够改变宽度和直径。

进一步的是：可变宽度的折纸式车轮还包括安装在第一端面上的第一轮毂、安装在第二端面上的第二轮毂；第一轮毂和第二轮毂均位于变径轮架外且分别设有第一端盖和第二端盖。第一轮毂和第二轮毂能够加强变径轮架的强度，第一端盖和第二端盖防止灰尘进入变径轮架内。

进一步的是：可变宽度的折纸式车轮还包括第三轮毂；第三轮毂固定在第一端面上并变径轮架内；轮轴的一端与第三轮毂固定连接，轮轴的另一端依次穿过第二轮毂和第二端盖，第二轮毂和第二端盖滑动式套在轮轴上。第三轮毂用于固定轮轴，轮轴为变径轮架变径提供支撑。

进一步的是：轮轴包括金属线和套在金属线上的弹簧线圈；金属线的一端和弹簧线圈的一端均与第三轮毂固定连接，金属线的另一端和弹簧线圈的另一端均依次穿过第二轮毂和第二端盖且该端设有滑轮，金属线卷绕在滑轮上。通过控制滑轮收放金属线从而驱动变径轮架变径和变宽。

进一步的是：第一端面和第二端面上均设有轮毂安装孔。第一轮毂和第二轮毂、第三轮毂均通过螺栓穿过轮毂安装孔安装。

进一步的是：第一平面和第二平面上均设有变径杆和杆孔，变径杆通过杆孔安装在第一平面或第二平面上。变径轮架的宽度发生连续变化，可引起折叠单元上对称平面的空间位置变化，从而引起变径杆空间位置的变化，变径杆在平缓位置和竖直位置相互切换，实现车轮轮径的连续变化。

进一步的是：从变径轮架的滚动方向上看，变径杆向外倾斜设置。

进一步的是：第一平面、第二平面、第三平面、第四平面、第五平面、第六平面均为刚性薄片。刚性薄片能够提供足够的强度。

第一山折线、第二山折线、第三山折线、第一谷折线、第二谷折线、第三谷折线均采用柔性材料填充。柔性材料耐劳耐磨，便于变径轮架的变径。

总的说来，本发明具有如下优点：

根据特定折纸样式折成的变径轮架实则是一个多机构集合装配体，充分利用了其折纸结构特性和折痕分布特点，实现了一体成型，且仅需在车轴的轴向方向施加一个激励便能实现车轮的宽度连续可变，从而实现轮径的连续可变。外接一个电机来驱动滑轮，滑轮卷收或释放金属线和轮轴，驱动与控制简单可靠，且变径轮架具有较大倍数的宽度连续变化和较大倍数的轮径连续变化。折叠单元采用刚性材料和柔性材料分布成形的制造方法，从而提高了车轮的承载能力及其他性能，同时也保留了折痕处的可折叠特性，实现宽度和轮径的连续变化。大宽度小轮径工作状态下成普通的刚性车轮，适用于平稳路面、路面凹凸不平的情况；小宽度大轮径工作状态下轮缘仍连续，可通过狭窄的缝隙，越过较高的碎石，用于路面复杂场合，有效地增强了越障能力、适应性、灵活性。本发明可应用于狭窄山洞、小碎石、地震灾区等特殊场合的救灾机器人，以及探测机器人、搜救机器人。本发明所不仅能利用其折纸结构的特性，降低了零部件之间的装配复杂性，同时也降低了折纸式车轮的制作时间，实现缩宽过缝、扩径越障，且能简化装配过程，减少制造时间。

附图说明

图1是可变宽度的折纸式车轮的结构示意图。

图2是可变宽度的折纸式车轮的剖视图。

图3是变径轮架的结构示意图。

图4是折叠单元的结构示意图。

图5是变径轮架结构的展开图。

图6是折叠单元结构的展开图。

图7是轮轴的结构示意图。

图8是可变宽度的折纸式车轮的宽度变大时候的结构示意图。

图9是可变宽度的折纸式车轮的宽度变小时候的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。

为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：

1为第一平面，2为第二平面，3为第三平面，4为第四平面，5为第五平面，6为第六平面，7为第一谷折线，8为第一山折线，9为第二谷折线，10为第三谷折线，11为第二山折线，12为第三山折线，13为轮轴，14为第一端面，15为第二端面，16为第一轮毂，17为第二轮毂，18为第三轮毂，19为第一端盖，20为第二端盖，21为金属线，22为弹簧线圈，23为轮毂安装孔，24为变径杆，25为杆孔。

结合图1、图4、图5、图6所示，一种可变宽度的折纸式车轮，包括变径轮架、安装在变径轮架上的轮轴；变径轮架包括若干个折叠单元；若干个折叠单元首位依次相连围成环状；变径轮架是基于一种经典的三浦折纸结构。在三浦折痕结构折叠图的基础上，采用刚性薄片并额外地增加山折线或谷折线，最后形成变径轮架。山折线是指两个面的连接处是凸起的，谷折线是指两个面的连接处是凹陷的。变径轮架由若干个相同的折叠单元组成(如图5，网格部分剪裁去掉)。每个折叠单元均存在一条折叠线，整个变径轮架以折叠线对称轴折叠实现变宽和变径。

每个折叠单元均具有第一平面、第二平面、第三平面、第四平面、第五平面、第六平面。第一平面和第二平面相互连接，第一平面和第二平面之间设有第一谷折线并以第一谷折线为中心对称设置，第三平面和第四平面相互连接，第三平面和第四平面之间设有第一山折线并以第一山折线为中心对称设置，第一山折线与第一谷折线连接形成折叠线，第一平面和第二平面分别与第三平面和第四平面连接，第一平面和第三平面之间设有第二谷折线，第二平面和第四平面之间设有第三谷折线，第五平面和第六平面以折叠线为中心对称设置，第五平面和第六平面分别与第一平面和第二平面连接，第一平面和第五平面之间设有第二山折线，第二平面和第六平面之间设有第三山折线；每个折叠单元如图6所示，由刚性薄片第一平面、第二平面、第三平面、第四平面、第五平面、第六平面以及柔性折痕(第一山折线、第二山折线、第三山折线、第一谷折线、第二谷折线、第三谷折线)组成。每个折叠单元的第一平面和第二平面分别与另一个相邻的折叠单元的第三平面和第四平面连接。

变径轮架采用一块刚性薄片并涂以柔性材料后按照上述折痕折叠一体成型。首先以柔性高粘度材料(如高粘度PVC材料)为基底，并替换折线(第一山折线、第二山折线、第三山折线、第一谷折线、第二谷折线、第三谷折线)。刚性薄片(如铜片)分布在柔性高粘度材料基底上，并且第一平面、第二平面、第三平面、第四平面、第五平面、第六平面之间须预留变形空间(折痕)。最后在刚性薄片上覆盖一层柔性高粘度材料，按照上述的折叠方式折叠，然后每个折叠单元首尾依次相连，并第一个折叠单元和最后一个的折叠单元相连即可呈轮状。

所有折叠单元的第五平面共同形成变径轮架的第一端面(即车轮其中一个端面)，所有折叠单元的第六平面共同形成变径轮架的第二端面(即车轮另一个端面)。

结合图1、图2、图3、图7所示，可变宽度的折纸式车轮还包括安装在第一端面上的第一轮毂、安装在第二端面上的第二轮毂；第一轮毂和第二轮毂均位于变径轮架外且分别设有第一端盖和第二端盖。可变宽度的折纸式车轮还包括第三轮毂；第三轮毂固定在第一端面上并变径轮架内；轮轴的一端与第三轮毂固定连接，轮轴的另一端依次穿过第二轮毂和第二端盖，第二轮毂和第二端盖滑动式套在轮轴上。第一轮毂和第三轮毂分别安装在变径轮架的第一端面的外面和里面，轮轴的固定端固定于第三轮毂，在轮轴的活动端设有滑轮的驱动装置(伺服电机)，通过控制伺服电机驱动滑轮转动一定角度，由滑轮卷收或释放轮轴，控制轮轴的长度，带动第一端面向第二端面移动，从而实现变径轮架的宽度连续变化，实现轮径的连续变化。第一轮毂、第三轮毂、第一端盖、第二轮毂、第二端盖和轮轴的轴向中心线均与变径轮架的轴向中心线相一致。

轮轴包括金属线和套在金属线上的弹簧线圈；金属线的一端和弹簧线圈的一端均与第三轮毂固定连接，金属线的另一端和弹簧线圈的另一端均依次穿过第二轮毂和第二端盖且该端设有滑轮，金属线卷绕在滑轮(图中未画出)上。通过控制伺服电机(图中未画出)驱动滑轮转动一定角度，由滑轮卷收或释放金属线和弹簧线圈，进而带动第一轮毂向第二轮毂移动，实现变径轮架在宽度上的连续变化。变径轮架的宽度发生连续变化时，可引起变径轮架上的刚性薄片的空间位置变化，从而引起变径杆空间位置的变化，第一平面和第二平面上的变径杆在平缓位置和竖直位置相互切换，实现车轮轮径的连续变化。

第一端面和第二端面上均设有轮毂安装孔。通过螺栓和轮毂安装孔将第一轮毂、第二轮毂以及第三轮毂固定。第一轮毂与第二轮毂上均有四个相对应的螺纹孔，用于分别固定第一端盖和第二端盖。

第一平面和第二平面上均设有变径杆和杆孔，变径杆通过杆孔安装在第一平面或第二平面上。从变径轮架的滚动方向上看，变径杆向外倾斜设置。变径杆以一定的规律安装在对称的第一平面和第二平面上。变径轮架变宽从而引起变径杆沿着变径轮架的径向移动，变径杆可以放大变径轮架的直径变化。

第一平面、第二平面、第三平面、第四平面、第五平面、第六平面均为刚性薄片。刚性薄片有足够的强度和硬度，满足折纸式车轮能够当车轮使用。

第一山折线、第二山折线、第三山折线、第一谷折线、第二谷折线、第三谷折线均采用柔性材料填充。以柔性材料替换折痕，并按原来折叠线的折叠方式进行折叠形成变径轮架。

本可变宽度的折纸式车轮的工作原理：结合图8、图9所示，可变宽度折纸车轮正常行驶时为大宽度小轮径状态(如图8所示)，此时对变径杆处于平缓的状态(即轮径最小状态，变径杆趋向于水平状态)。当遇到狭窄缝隙或山洞、较高障碍物的路面环境时，由控制伺服电机驱动滑轮转动，卷收轮轴。当轮轴逐渐卷收于滑轮中时，轮轴的固定端带动第一端面产生轴向的移动，变径轮架因其折纸折痕分布特性，第一端面以折叠线为折叠中心向第二端面收缩，变径轮架变窄。变径轮架变窄的时候带动变径杆从平缓位置向竖直位置(变径杆趋向于竖直状态)进行切换，变径杆趋于竖直时轮径变大。车轮宽度收缩达到最小时(如图9所示)，变径轮架的轮径扩展达到最大径状态的最大位置时，折纸式车轮可以在狭窄缝隙或越过障碍后在平整的硬质路面行驶。同样通过控制电机驱动滑轮反向转动，释放收缩状态的轮轴，扩大变径轮架的宽度，增大与路面接触面积，提高车轮行驶过程的稳定性，且变径轮架可达到1～2.5倍的宽度连续变化和1～1.5倍的轮径连续变化。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可变宽度的折纸式车轮，其特征在于：包括变径轮架、安装在变径轮架上的轮轴；变径轮架包括若干个折叠单元；若干个折叠单元首位依次相连围成环状；

每个折叠单元均具有第一平面、第二平面、第三平面、第四平面、第五平面、第六平面；第一平面和第二平面相互连接，第一平面和第二平面之间设有第一谷折线并以第一谷折线为中心对称设置，第三平面和第四平面相互连接，第三平面和第四平面之间设有第一山折线并以第一山折线为中心对称设置，第一山折线与第一谷折线连接形成折叠线，第一平面和第二平面分别与第三平面和第四平面连接，第一平面和第三平面之间设有第二谷折线，第二平面和第四平面之间设有第三谷折线，第五平面和第六平面以折叠线为中心对称设置，第五平面和第六平面分别与第一平面和第二平面连接，第一平面和第五平面之间设有第二山折线，第二平面和第六平面之间设有第三山折线；

所有折叠单元的第五平面共同形成变径轮架的第一端面，所有折叠单元的第六平面共同形成变径轮架的第二端面。

2.按照权利要求1所述的一种可变宽度的折纸式车轮，其特征在于：可变宽度的折纸式车轮还包括安装在第一端面上的第一轮毂、安装在第二端面上的第二轮毂；第一轮毂和第二轮毂均位于变径轮架外且分别设有第一端盖和第二端盖。

3.按照权利要求2所述的一种可变宽度的折纸式车轮，其特征在于：可变宽度的折纸式车轮还包括第三轮毂；第三轮毂固定在第一端面上并变径轮架内；轮轴的一端与第三轮毂固定连接，轮轴的另一端依次穿过第二轮毂和第二端盖，第二轮毂和第二端盖滑动式套在轮轴上。

4.按照权利要求3所述的一种可变宽度的折纸式车轮，其特征在于：轮轴包括金属线和套在金属线上的弹簧线圈；金属线的一端和弹簧线圈的一端均与第三轮毂固定连接，金属线的另一端和弹簧线圈的另一端均依次穿过第二轮毂和第二端盖且该端设有滑轮，金属线卷绕在滑轮上。

5.按照权利要求3所述的一种可变宽度的折纸式车轮，其特征在于：第一端面和第二端面上均设有轮毂安装孔。

6.按照权利要求1所述的一种可变宽度的折纸式车轮，其特征在于：第一平面和第二平面上均设有变径杆和杆孔，变径杆通过杆孔安装在第一平面或第二平面上。

7.按照权利要求6所述的一种可变宽度的折纸式车轮，其特征在于：从变径轮架的滚动方向上看，变径杆向外倾斜设置。

8.按照权利要求1所述的一种可变宽度的折纸式车轮，其特征在于：第一平面、第二平面、第三平面、第四平面、第五平面、第六平面均为刚性薄片。

9.按照权利要求8所述的一种可变宽度的折纸式车轮，其特征在于：第一山折线、第二山折线、第三山折线、第一谷折线、第二谷折线、第三谷折线均采用柔性材料填充。

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